منشا تولید ذرات نور (بسته های فوتون)

تولید و انتشار فوتون

تصویر۱-مدل اتمی بور

نور شکلی از انرژی است که از اتم گسیل می‌شود. نور به خودی خود از ذرات ریزتری تشکیل شده است که تکانه و انرژی دارند ولی جرم ندارند که این ذرات فوتون نامیده می شوند. وقتی الکترون‌ها برانگیخته می‌شوند فوتون ساطع می‌شود. اگر در مورد اتم‌ها اطلاع دارید حتماً می‌دانید که الکترون‌ها بار منفی دارند و دور هسته اتم می‌گردند. هسته بار مثبت دارد. الکترون‌های اتم ترازهای انرژی متفاوت دارند که جایگاه آنها بستگی به سرعت و فاصله‌شان از هسته دارد. الکترون‌های ترازهای مختلف انرژی اوربیتال‌های متفاوتی را اشغال می‌کنند. عموماً الکترون‌هایی که انرژی بیشتری دارند در اوربیتال‌های دورتر از هسته حرکت می‌کنند.

راه های مختلفی برای تولید فوتون وجود دارد، اما همه این روش ها از مکانیزم یکسانی در داخل اتم برای تولید فوتون استفاده می کنند. این مکانیسم شامل انرژی دادن به الکترون هایی است که به دور هسته هر اتم می چرخند. به عنوان مثال، اتم های هیدروژن یک الکترون دارند که به دور هسته می چرخند و اتم های هلیوم دارای دو الکترون و اتم های نئون دارای ۱۰ الکترون هستند که دور هسته می چرخند یعنی هر اتم دارای تعداد مشخصی الکترون در اطراف هسته خود می باشند(تصویر۱). هر روشی که منجر به انرژی دادن به الکترون های اطراف اتم بشود می تواند باعث تولید فوتون بشود.

وقتی اتمی انرژی می‌گیرد یا از دست می‌دهد، این تغییر با حرکت الکترون بیان می‌شود. وقتی مقداری انرژی به الکترون می‌رسد، الکترون ممکن است به اوربیتال بالاتری برود (دورتر از هسته). الکترون این مکان را برای مدت کسری از ثانیه نگه  می‌دارد و تقریباً خیلی فوری به محل قبلی خودش برمی‌گردد (بازگشت به حالت پایدار) . در حین برگشتن به تراز انرژی قبلی انرژی اضافی به‌صورت فوتون ساطع می‌شود(تصویر۲) . در بعضی‌ موارد این فوتون‌ها مرئی هستند (یعنی در گستره‌ی مرئی طیف نور هستند که ما با چشم می‌بینیم). طول‌موج نور گسیلی (رنگ)‌ بستگی به میزان انرژی گسیلی دارد که آنهم به مکان الکترون در هسته بستگی دارد. در نتیجه، اتم‌های مختلف انواع مختلف فوتون‌های نوری گسیل می‌‌کنند. به عبارت دیگر، رنگ نور بستگی به نوع برانگیختگی اتم دارد.

ما می توانیم سطوح انرژی ماده را در نموداری به نام Jablonski نشان دهیم . یک اتم یا مولکول در پایین ترین حالت انرژی  که به عنوان حالت پایه شناخته می شود، می تواند یک فوتون را جذب کند، این جذب فوتون باعث می شود که اتم یا مولکول به حالت سطح انرژی بالاتر برود و این حالت به عنوان حالت برانگیخته شناخته می شود. از این رو ماده می تواند نور با طول موج های مشخص را جذب کند.به عبارت دیگر با حرکت الکترون هر اتم به سطح انرژی بالاتر باعث جذب فوتون توسط اتم می شود. 

اتم یا مولکول معمولاً برای مدت بسیار کوتاهی در حالت برانگیخته باقی می ماند و با مکانیزم های متعددی به حالت اولیه باز می گردد. در مثال نشان داده شده، اتم یا مولکول برانگیخته در ابتدا انرژی از دست می دهد. معمولا فرآیندهای داخلی انجام شده باعث حرکت اتم (یا مولکول) برانگیخته به حالت میانی با سطح انرژی پایین تر شده و همچنین باعث ایجاد گرما در ماده می شود. سپس سطح انرژی متوسط با ساطع کردن یک فوتون با انرژی کمتر (طول موج بلندتر) از فوتون جذب شده (فوتونی که در ابتدا جذب شده است)، به حالت پایه باز می گردد(تصویر۳)

تصویر۲-مراحل انتشار فوتون

تصویر۳-نمودار Jablonski


>> پس با انرژی دادن (هر نوع انرژی) به مولکول های اتم هر ماده ای می توان فوتون تولید کرد <<

بیولومینسانس; نور در وجود موجودات زنده

روش دیگری برای ساخت فوتون ها که به نورتابی شیمیایی معروف است، انجام واکنش های شیمیایی است. این واکنش های شیمیایی در موجودات زنده مانند باکتری ها، کرم های شب تاب، ماهی های مرکب و ماهی های اعماق دریا رخ می دهد که به عنوان بیولومینسانس شناخته می شود. در این فرآیند حداقل وجود دو ماده شیمیایی برای تولید نور لازم است. شیمیدانان از اصطلاح عمومی لوسیفرین برای توصیف عامل تولید کننده نور استفاده می کنند. آنها از اصطلاح لوسیفراز برای توصیف آنزیمی استفاده می کنند که باعث تحریک یا کاتالیزور واکنش می شود. واکنش اصلی از یک توالی مستقیم پیروی می کند. اول، لوسیفراز اکسیداسیون لوسیفرین را کاتالیز می کند. به عبارت دیگر، لوسیفرین از نظر شیمیایی با اکسیژن ترکیب می شود و اکسی لوسیفرین تولید می کند. این واکنش، نور در ناحیه آبی یا در طیف سبز تولید می کند. گاهی اوقات، لوسیفرین به یک پروتئین کاتالیزور و اکسیژن در یک ساختار بزرگ به نام فوتوپروتئین متصل می شود. هنگامی که یک یون - معمولاً کلسیم - به فوتوپروتئین اضافه می شود، لوسیفرین را اکسید می کند و در نتیجه اکسی لوسیفرین سبک و غیرفعال می شود. در موجودات دریایی، نور آبی تولید شده توسط بیولومینسانس بسیار مفید است، زیرا طول موج نور آبی، حدود ۴۷۰ نانومتر است که بسیار دورتر در آب منتقل می شود. همچنین، اکثر موجودات رنگدانه‌ای در اندام‌های بینایی خود ندارند که آنها را قادر می ‌سازد طول موج‌های بلندتر (زرد، قرمز) یا کوتاه‌تر (نیلی، فرابنفش) را ببینند. یک استثنا را می توان در خانواده ماهی های مالاکوستید یافت که به نام loosejaws نیز شناخته می شوند. این جانوران هم می توانند نور قرمز تولید کنند و هم زمانی که دیگر موجودات قادر به تشخیص آن نیستند، آن را تشخیص دهند.

ایجاد نور با گرما

احتمالاً متداول‌ترین راه برای انرژی دادن به اتم‌ها با گرما است و این اساس کار لامپ  های رشته ای می باشد. اگر نعل اسبی را با مشعل گرم کنید، در نهایت سرخ می شود، و اگر به گرم کردن آن ادامه دهید، به رنگ سفید در می آید. رنگ قرمز کم‌انرژی‌ترین نور مرئی است، بنابراین در یک جسم داغ و قرمز، اتم‌ها انرژی کافی برای شروع به ساطع  کردن نور را دریافت می‌کنند که ما توانایی دیدن آن را داریم. هنگامی که گرمای کافی برای ایجاد نور سفید اعمال می کنید، به الکترون های مختلف انرژی می دهید که همه رنگ ها تولید شوند در نتیجه همه آنها با هم ترکیب می شوند تا به رنگ سفید به نظر برسند. گرما رایج ترین روشی است که با آن تولید نور را مشاهده می کنیم؛ یک لامپ رشته ای معمولی ۷۵ واتی با استفاده از الکتریسیته برای ایجاد گرما، نور تولید می کند. الکتریسیته از طریق یک رشته تنگستن که در داخل یک کره شیشه ای قرار دارد، می گذرد. از آنجایی که رشته بسیار نازک است، مقاومت خوبی در برابر الکتریسیته ارائه می دهد و این مقاومت، انرژی الکتریکی را به گرما تبدیل می کند. گرما به اندازه ای است که رشته ها به رنگ سفید و داغ درآید. متأسفانه، این روش به صرفه نیست. بیشتر انرژی یک لامپ رشته ای به صورت گرما از دست می رود. در واقع، یک لامپ معمولی در مقایسه با یک لامپ فلورسنت که بین ۵۰ تا ۱۰۰ لومن در هر وات برق تولید می کند، ۱۵ لومن به ازای هر وات برق ورودی تولید کند. امروزه با استفاده از لامپ های LED انرژی الکتریسیته بیشتر به نور تبدیل می شود تا گرما و به ازای مصرف هر وات انرژی حدود ۱۵۰-۲۰۰ لومن نور تولید می شود.

احتراق راه دیگری برای تولید فوتون می باشد. احتراق زمانی اتفاق می افتد که یک ماده ی سوختنی به سرعت با اکسیژن ترکیب می شود و گرما و نور تولید می کند. اگر آتش یا حتی شعله شمع را با دقت بررسی کنید، متوجه شکاف کوچک بی رنگی بین چوب یا فتیله و شعله خواهید شد. در این شکاف گازها بالا می روند و گرم می شوند. هنگامی که آنها به اندازه کافی گرم شوند، گازها با اکسیژن ترکیب می شوند و در نهایت قادر به انتشار نور هستند. پس شعله مخلوطی از گازهای در حال واکنش (که نور مرئی، فروسرخ و مقداری فرابنفش ساطع می‌کنند) می باشد.


>> انرژی گرمایی و انرژی الکتریکی از مهمترین انرژی هایی هستند که  از آنها جهت تولید فوتون (نور)  استفاده می شود <<

ساخت رنگ نورهای مختلف

تصویر۴- نحوه ساخت رنگ نورهای مختلف 

نور مرئی، نوری است که چشم انسان می تواند آن را درک کند. وقتی به نور مرئی خورشید نگاه می کنیم، بی رنگ به نظر می رسد که ما آن را نور سفید می نامیم. اگرچه ما می توانیم این نور را ببینیم، اما رنگ سفید بخشی از طیف مرئی در نظر گرفته نمی شود به این دلیل که نور سفید نور یک رنگ نیست، بلکه شامل رنگ های زیادی است. هنگامی که نور خورشید از یک لیوان آب عبور می کند تا روی دیوار نقش ببندد، رنگین کمانی را روی دیوار می بینیم همانطور که می دانید این اتفاق تنها در صورتی می افتد که نور سفید مخلوطی از تمام رنگ های طیف مرئی باشد.

اسحاق نیوتن اولین کسی بود که این فرآیند را  نشان داد. نیوتن نور خورشید را از یک منشور شیشه ای عبور داد تا رنگ ها را به طیف رنگین کمان تقسیم کند. سپس نور خورشید را از منشور شیشه ای دوم عبور داد و دو رنگین کمان را با هم ترکیب کرد و این ترکیب نور سفید تولید کرد. آزمایش ساده او به طور قطعی ثابت کرد که نور سفید ترکیبی از رنگ ها است. شما نیز می توانید آزمایش مشابهی را با سه چراغ قوه و سه رنگ مختلف سلفون قرمز، سبز و آبی (که معمولا RGB نامیده می شود) انجام دهید. یک چراغ قوه را با یک تا دو لایه سلفون قرمز بپوشانید و سلفون را با کش ببندید (از لایه های زیاد استفاده نکنید وگرنه نور چراغ قوه را مسدود می کنید).چراغ قوه دیگری را با سلفون آبی و چراغ قوه سوم را با سلفون سبز بپوشانید. به یک اتاق تاریک بروید، چراغ قوه ها را روشن کنید و آنها را به دیوار بتابانید تا پرتوها روی هم قرار بگیرند. جایی که نور قرمز و آبی روی هم قرار می گیرند، سرخابی را خواهید دید. در جایی که نور قرمز و سبز با هم همپوشانی دارند، رنگ زرد را خواهید دید. در جایی که نور سبز و آبی روی هم قرار می گیرند، رنگ فیروزه ای را خواهید دید(شکل ۲۱). متوجه خواهید شد که نور سفید را می توان با ترکیب های مختلفی مانند زرد با آبی، سرخابی با سبز، فیروزه ای با قرمز و با ترکیب همه رنگ ها با هم ایجاد کرد. با افزودن ترکیب های مختلف از این رنگ های نور قرمز، سبز و آبی می توانید تمام رنگ های طیف مرئی را بسازید.

جذب نور و رنگدانه ها

راه دیگر ساخت رنگ های نور  جذب مقداری از فرکانس های نور و حذف آنها از ترکیب نور سفید است. رنگ های جذب شده به رنگ هایی می گویند که توسط اشیا جذب می شوند. شما تنها قادر به دیدن رنگ هایی هستید که به چشم باز می گردند. این مورد به عنوان رنگ تفریق کننده شناخته می شود و این همان چیزی است که در مورد رنگ ها اتفاق می افتد. مولکول‌های رنگ یا رنگ ها، فرکانس‌های خاصی را جذب می‌کنند و مابقی فرکانس‌ها را به چشم شما منعکس می‌کنند. فرکانس منعکس شده (یا فرکانس ها) همان چیزی است که شما به عنوان رنگ جسم می بینید. به عنوان مثال، برگ گیاهان سبز حاوی رنگدانه ای به نام کلروفیل است که رنگ های آبی و قرمز طیف را جذب می کند و رنگ سبز را منعکس می کند.

شما می توانید جذب را از نظر ساختار اتمی نیز توضیح دهید. فرکانس موج نور ورودی در فرکانس ارتعاش الکترون های ماده یا نزدیک به آن فرکانس ها است. الکترون ها انرژی موج نور را می گیرند و شروع به ارتعاش می کنند. اتفاق بعدی بستگی به این دارد که اتم ها چقدر به الکترون های خود چسبیده اند. جذب زمانی اتفاق می‌افتد که الکترون‌ها محکم نگه داشته می‌شوند و ارتعاشات را در امتداد هسته اتم‌ها ارسال می‌کنند. در اثر این اتفاق اتم‌ها سرعت می گیرند، با اتم‌های دیگر در ماده برخورد می کنند و سپس انرژی‌ای را که از ارتعاشات به دست آورده‌اند، به عنوان گرما از دست می دهند. جذب نور، جسم را نسبت به فرکانس موج ورودی تیره یا مات می کند. چوب نسبت به نور مرئی مات است. برخی از مواد برای برخی از فرکانس های نور مات هستند، اما برای برخی فرکانس های دیگر شفاف هستند. شیشه نسبت به نور ماوراء بنفش مات است، اما در برابر نور مرئی شفاف می باشد.

تصویر۵-دامنه طول موج های جذب شده توسط کلروفیل برگ 

منشأ نور در هستی

امروزه دانشمندان وجود فوتون ها و رفتار عجیب نور به عنوان موج-ذره را پذیرفته اند. چیزی که آنها هنوز در مورد آن بحث می کنند جنبه وجودی تر نور است، مانند اینکه نور در وهله اول از کجا آمده است. برای پاسخ به این سوال، فیزیکدانان توجه خود را به بیگ-بنگ (Big-Bang)  و چند لحظه پس از آن معطوف می کنند. ممکن است به یاد داشته باشید که انفجار بزرگ رویداد تولدی است که باعث پیدایش جهان شد. حدود ۱۵ میلیارد سال پیش، تمام ماده و انرژی در منطقه کوچکی (که به عنوان singularity شناخته می‌شود)، جمع‌آوری شد. در یک لحظه، این تک نقطه از مواد فوق متراکم با سرعت فوق العاده سریع شروع به انبساط کرد. همانطور که جهان تازه متولد شده منبسط شد، شروع به سرد شدن کرد و چگالی کمتری پیدا کرد. این باعث شد تا ذرات و فوتون های پایدارتری تشکیل شوند.

تصویر۶- نظریه ی بیگ بنگ: یک تصویر از جهان اولیه در لحظه وقوع بیگ بنگ  

نظریه های تولید نور پس از انفجار بزرگ:

  1. بلافاصله پس از انفجار بزرگ، الکترومغناطیس به عنوان یک نیروی مستقل وجود نداشت. در عوض، به نیروی هسته ای ضعیف ملحق شد.
  2. ذرات معروف به بوزون های B و W نیز در این زمان وجود داشتند.
  3. زمانی که کیهان فقط ۰٫۰۰۰۰۰۰۰۰۰۰۱ ثانیه سن داشت، آنقدر سرد شده بود که الکترومغناطیس از نیروی ضعیف هسته‌ای جدا شده و بوزون‌های B و W به فوتون تبدیل شوند. فوتون‌ها آزادانه با کوارک‌ها یعنی کوچک‌ترین اجزای سازنده ماده، مخلوط شدند.
  4. زمانی که کیهان ۰٫۰۰۰۰۱ ثانیه سن داشت، کوارک ها با هم ترکیب شدند و پروتون ها و نوترون ها را تشکیل دادند.
  5. زمانی که جهان ۰٫۰۱ ثانیه سن داشت، پروتون ها و نوترون ها شروع به سازماندهی به اتم کردند.
  6. سرانجام، زمانی که جهان به سن ۳۸۰۰۰۰ سال رسید، فوتون ها آزاد شدند و نور در شکاف های تاریک فضا جاری شد.

این نور، تاریک و قرمز شد تا اینکه در نهایت کوره های هسته ای در ستاره ها روشن شدند و شروع به تولید نور جدید کردند. خورشید حدود ۴٫۶ میلیارد سال پیش روشن شد و منظومه شمسی را  فوتون باران کرد. آن فوتون ها از آن زمان به سمت سیاره آبی زمین جاری شده اند. چند نفر از دانشمندان بزرگ از جمله نیوتن، هویگنس، انیشتین به تفکر و ارائه نظریه در مورد این فوتون ها پرداختند.

 >>> در بخش های قبل با ابتدایی ترین مفاهیم درمورد نور یعنی ماهیت و ساختار اصلی آن و همچنین تاریخچه تکاملی نظریه های نور آشنا شدید (اینجا). در این بخش اصلی ترین روش های تولید نور بعنوان بسته های فوتون  را مشاهده کردید.در بخش های آتی قصد داریم نحوه تولید نور در منابع نوری مصنوعی مثل لامپ ها را بررسی کرده و با یکدیگر مقایسه کنیم.


References:

https://science.howstuffworks.com/light.htm

https://andor.oxinst.com/learning/view/article/what-is-light

https://science.howstuffworks.com/light.htm/printable

Cromie, William J. "Physicists Slow Speed of Light." Harvard Gazette. Feb. 18, 1999.(Apr. 1, 2011) http://news.harvard.edu/gazette/1999/02.18/light.html

Hewitt, Paul G. "Conceptual Physics, Third Edition." Scott-Foresman-Addison-Wesley, Inc. 1999."Light." Encyclopædia Britannica. Encyclopædia Britannica Online. Encyclopædia Britannica, 2011. Web. 01 Apr. 2011. http://www.britannica.com/EBchecked/topic/340440/light

تهران، بلوار آفریقا، نبش کوچه طاهری، برج مرکز تجارت ایران، طبقه ۱۱، واحد ۱ 26291971-021 ... 26291978-021
021-91009719